CN115351579A - 一种基于备用刀库的机外换刀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于备用刀库的机外换刀方法，方法用于柔性制造系统的机床数铣加工过程中无人值守的机床，柔性制造系统包括数控机床、工件自动储运系统和柔性制造控制系统，其特征在于，机床包括刀具测量装置和机床自带刀库，工件自动储运系统包括刀具上料架用机械臂和备用刀库，方法包括：在任一刀具完成所有加工轨迹运动后返回机内换刀点时判断刀具状态是否满足换刀条件，刀具状态包括刀具使用时长、刀具长度磨损值和刀具直径磨损值；当刀具满足任一换刀条件时，执行刀具与备用刀库中备用刀具的交换。本发明通过增设备用刀库及实现自动化换刀，解决了在发生刀具问题时，因人工干预不及时造成的机床停机对柔性生产线生产效率的影响。

Description

一种基于备用刀库的机外换刀方法

技术领域

本发明属于数控机床刀具管理技术领域，尤其涉及一种基于备用刀库的机外换刀方法。

背景技术

柔性制造系统(FMS)是一套主要用于多品种、变批量、混流加工自动化生产系统。通过这种系统，可以让一个操作者看顾十多台数铣设备的加工生产，甚至在夜间实现无人生产。但是，这种自动化生产模式对刀具稳定性的要求非常高，一旦刀具发生磨损、断裂、崩刃、缠屑等情况时，数控设备都会停机报警，需要人工更换刀具。如果刀具问题发生比较频繁，人工换刀不及时，机床就会一直停机等待，这会严重影响自动化产线的生产效率。

为了降低人工换刀对机床利用率造成的不利影响，一种有效方式是在柔性制造系统内部、机床外部建立备用刀库。在机外备用刀库中适量存放着对应于系统内部机床使用刀具的备用刀具。当柔性制造系统内任意机床中的刀具发生故障，无法满足加工需要时，立即由柔性制造控制系统调用机器人，用机外备用刀库中同型号备用的新刀具替换问题刀具。

目前，虽然部分自动化生产系统配套了备用刀库，但是换刀活动的触发机制和工作流程比较呆板，运行模式比较杂糅，缺乏有效的管理与调度，整个管理过程仍然需要人工大量参与，存在着因人为因素而导致换刀不及时或换刀换错的风险，因此不符合在柔性制造系统中高度柔性化和高度少人化条件下应用的需求。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种基于备用刀库的机外换刀方法,充分考虑各种刀具问题触发机制，利用信息化管理系统实现刀库的统筹管理，在正确的时机为机床输送正确的刀具，减少停线停机时间，提高了设备利用率。并通过刀具寿命数据采集与大数据比对，实现刀具寿命预警，增强了系统预防性维护的准确性。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种基于备用刀库的机外换刀方法，所述方法用于柔性制造系统的机床数铣加工过程中无人值守的机床，所述柔性制造系统包括数控机床、工件自动储运系统和柔性制造控制系统，其特征在于，所述机床包括刀具测量装置和机床自带刀库，工件自动储运系统包括刀具上料架用机械臂和备用刀库，所述方法包括：

在任一刀具完成所有加工轨迹运动后返回机内换刀点时判断刀具状态是否满足换刀条件，所述刀具状态包括刀具使用时长、刀具长度磨损值和刀具直径磨损值；

当所述刀具满足任一换刀条件时，执行所述刀具与所述备用刀库中备用刀具的交换。

进一步的，所述刀具使用时长是否满足换刀条件的判断步骤包括：

采集所述刀具被切换到主轴上且主轴旋转的时间；

判断所述主轴旋转的时间是否超出设定的最大使用时长，若所述主轴旋转的时间超出所述最大使用时长则判定为满足换刀条件。

进一步的，所述方法还包括：

设定所述刀具使用时长的警戒阈值，所述警戒阈值小于最大使用时长；

当所述刀具使用时长达到所述警戒阈值时，检验所述刀具的其他刀具状态是否满足换刀条件，若满足则调整所述最大使用时长及所述警戒阈值。

进一步的，所述刀具长度磨损值是否满足换刀条件的判断步骤包括：

通过所述刀具测量装置获取所述刀具长度，计算所述刀具长度与理论刀具长度的长度差值；

判断所述长度差值是否超过设定的阈值，若超过设定的阈值则判定为满足换刀条件。

进一步的，所述刀具直径磨损值是否满足换刀条件的判断步骤包括：

通过所述刀具测量装置获取所述刀具直径，计算所述刀具直径与理论刀具直径的直径差值；

判断所述直径差值是否超过设定的阈值，若超过设定的阈值则判定为满足换刀条件。

进一步的，所述柔性制造系统还包括刀具管理平台，所述方法还包括：

在所述刀具管理平台内建立刀具信息库，所述刀具信息库包含刀具基本信息和刀具状态信息；

所述刀具基本信息包括刀具物资编码、刀具名称、刀具类型、刀具型号、刀具警戒寿命、刀具最大寿命、刀具长度最大磨损值、刀具直径最大磨损值、、刀具首测长度和刀具首测直径；

所述刀具状态信息包括刀具首测长度、刀具首测直径、刀具实测长度、刀具实测直径、刀具使用时长和刀具状态。

进一步的，所述方法还包括：

在所述刀具管理平台内建立刀具库库位信息看板，所述库位信息包括柔性系统上各个机床的机内刀库库位与备用刀库库位；

根据刀具的刀柄序列号，展示刀具在机内备用刀库的放置情况，当机床和备用刀库中的刀具发生变化时，所述刀具库库位信息看板实时更新相应信息。

进一步的，所述执行所述刀具与所述备用刀库中备用刀具的交换具体包括：

根据刀具的刀柄序列号，将新的刀具基本信息录入并与刀柄绑定，通过线外对刀仪测量刀具首测直径和刀具首测长度，并关联到所述刀具的刀具基本信息中；

将所述刀具放置于所述刀具上料架上，当触发上料请求时，所述机械臂将所述刀具放置于所述备用刀库，并将所述刀具的刀具基本信息录入所述刀具信息库；

当所述柔性制造系统接收到换刀请求时，从所述备用刀库中匹配与被更换刀具相同型号、相同类型的刀具库位，向刀具上料用机械臂发出刀具更换指令，所述机械臂从所述备用刀库对应库位抓取新刀具，更换到发起换刀请求的数控机床主轴上；

当所述新刀具更换到数控机床主轴上后，所述柔性制造系统将新刀具的刀具的首测直径和刀具首测长度信息传递给所述机床的数控操作系统，并将所述数控操作系统内当前刀号的刀具使用时长清零。

进一步的，所述方法还包括将换下的废刀放回所述备用刀库，并进行标记。

进一步的，所述方法还包括在废刀取出后，所述柔性制造系统解除绑定所述废刀的刀柄上的刀具信息。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的基于备用刀库的机外换刀方法充分考虑各种刀具问题触发机制，利用信息化管理系统实现刀库的统筹管理，在正确的时机为机床输送正确的刀具，减少停线停机时间，提高了设备利用率。并通过刀具寿命数据采集与大数据比对，实现刀具寿命预警，增强了系统预防性维护的准确性。

(2)本发明提供的基于备用刀库的机外换刀方法通过在常规柔性制造系统中增设备用刀库，解决了在人员不在的情况下，出现刀具故障导致机床停机的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于备用刀库的机外换刀方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的根据刀具使用时长判断是否满足换刀条件的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的根据警戒阈值判断是否满足换刀条件的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的刀具长度磨损值是否满足换刀条件的判断流程示意图；

图5是本发明实施例提供的刀具直径磨损值是否满足换刀条件的判断流程示意图；

图6是本发明实施例提供的机床刀具与备用刀具交换流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，虽然部分自动化生产系统配套了备用刀库，但是换刀活动的触发机制和工作流程比较呆板，运行模式比较杂糅，缺乏有效的管理与调度，整个管理过程仍然需要人工大量参与，存在着因人为因素而导致换刀不及时或换刀换错的风险，因此不符合在柔性制造系统中高度柔性化和高度少人化条件下应用的需求。

为了解决上述技术问题，提出了本发明一种基于备用刀库的机外换刀方法的下述各个实施例。

本实施例提供了一种基于备用刀库的机外换刀方法，该方法应用于柔性制造系统的机床数铣加工过程中无人值守的机床，本实施例中柔性制造系统包括数控机床、工件自动储运系统和柔性制造控制系统。

相比于常规的柔性制造控制系统，本实施例对其进行了改进，在机内增加了刀具测头作为刀具测量装置，机外增加了刀库设施作为备用刀库，对柔性制造控制系统增加了刀具管理模块。

需要说明的是，本实施例中除了选配机内刀具测头外，还可以选择在机外增设刀具测量仪实现刀具测量。

本实施例中一套柔性制造系统采用同一种规格的刀柄，数铣刀具均安装在刀柄上。每个刀柄在非安装面刻有代表刀柄唯一序列号的标识，该标识可以采用二维码、条码等。

参照图1，如图1所示是本实施例提供的基于备用刀库的机外换刀方法流程示意图。该方法具体包括以下步骤：

步骤S100：在任一刀具完成所有加工轨迹运动后返回机内换刀点时判断刀具状态是否满足换刀条件，刀具状态包括刀具使用时长、刀具长度磨损值和刀具直径磨损值。

具体地，当刀具状态是刀具使用时长时，如果刀具使用时长超过设定刀具最大寿命，则触发机外换刀。在柔性制造系统的生产模式下，由于每次生产零件的不同，每次刀具的使用时长也各不相同，因此，以使用次数作为刀具寿命的衡量依据显然会存在较大误差。

因此，为了避免出现上述因素导致的误差，本实施例针对刀具使用时长是否满足换刀条件的判断提供了一种全新的方式，参照图2，如图2所示是本实施例提供的根据刀具使用时长判断是否满足换刀条件的流程示意图，该方法具体如下：

步骤S110：采集刀具被切换到主轴上且主轴旋转的时间；

步骤S111：判断主轴旋转的时间是否超出设定的最大使用时长，即刀具最大寿命，若主轴旋转的时间超出最大使用时长(刀具最大寿命)则判定为满足换刀条件。

作为一种实施方式，本实施例中刀具使用时长是否满足换刀条件的判断方法还引入了刀具警戒寿命作为第二个判断阈值，参照图3，如图3所示是本实施例提供的根据警戒阈值判断是否满足换刀条件的流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤S112：设定刀具使用时长的警戒阈值，即刀具警戒寿命，警戒阈值(刀具警戒寿命)小于最大使用时长。

步骤S113：当刀具使用时长达到警戒阈值时，检验刀具的其他刀具状态是否满足换刀条件，若满足则调整最大使用时长及警戒阈值(刀具警戒寿命)。

在使用新刀具时，可以先根据经验设定这两个值，其中刀具警戒寿命是短于刀具最大寿命的。

如果刀具使用时长超过设定的警戒寿命，但未到达最大刀具寿命，则将此次刀具测量的长度、直径磨损量展示给操作者，由人工判断是否触发机外换刀。该步骤判断只展示刀具状态，在人员不能及时决定时也可以不立即执行，如夜间无人值守时。

在刀具使用过程中，刀具一般首先到达刀具警戒寿命，提醒操作者观察刀具磨损情况及加工实际情况，如果判断刀具状况良好，就可以适当延长刀具警戒时间，如果判断刀具不能继续使用，则相应缩短刀具警戒寿命和刀具最大寿命。如果刀具未达到刀具最大寿命，已频繁发生因刀具磨损超过允许值而触发机外换刀，则根据换刀前的刀具使用时长缩短刀具最大寿命。通过这样的方式，不断逼近最佳刀具寿命。

需要说明的是，所有刀具寿命的修改都通过“备用刀库管理系统”记录下来，操作者也查询历史记录，并可主观取消，以此避免出现因个别意外导致刀具寿命很短的情况。

参照图4，如图4所示是本实施例提供的刀具长度磨损值是否满足换刀条件的判断流程示意图。

本实施例中刀具长度磨损值是否满足换刀条件的判断步骤包括：

步骤S120：通过刀具测量装置获取刀具长度，计算刀具长度与理论刀具长度的长度差值。

步骤S121：判断长度差值是否超过设定的阈值，若超过设定的阈值则判定为满足换刀条件。

如果刀具长度实际值与理论值之差大于设定的允许值，则说明刀具底齿磨损或断刀，则触发机外换刀。

参照图5，如图5所示是本实施例提供的刀具直径磨损值是否满足换刀条件的判断流程示意图。

本实施例中刀具直径磨损值是否满足换刀条件的判断步骤包括：

步骤S130：通过刀具测量装置获取刀具直径，计算刀具直径与理论刀具直径的直径差值。

步骤S131：判断直径差值是否超过设定的阈值，若超过设定的阈值则判定为满足换刀条件。

如果刀具直径的实际值与理论值之差大于设定的允许值，则说明刀具侧刃磨损或缠屑，则触发机外换刀。

本实施例为了实现机内机外刀具信息采集与统筹管理，还搭建了刀具管理平台，在刀具管理平台内建立刀具信息库，刀具信息库包含刀具基本信息和刀具状态信息。

其中，刀具基本信息包括刀具物资编码、刀具名称、刀具类型、刀具型号、刀具警戒寿命、刀具最大寿命、刀具长度最大磨损值和、刀具直径最大磨损值、刀具首测长度和刀具首测直径。这类信息记录在“备用刀库管理系统”的基础数据库内，可依据刀具物资编码查看。

刀具状态信息包括刀具首测长度、刀具首测直径、刀具实测长度、刀具实测直径、刀具使用时长和刀具状态。这类信息在刀具安装时，与刀柄的唯一序列号绑定。

作为一种实施方式，本实施例中还在刀具管理平台内建立刀具库库位信息看板，库位信息包括柔性系统上各个机床的机内刀库库位与备用刀库库位。

根据刀具的刀柄序列号，展示刀具在机内备用刀库的放置情况，当机床和备用刀库中的刀具发生变化时，刀具库库位信息看板实时更新相应信息。当机床和备用刀库中的刀具发生变化时，看板上实时更新相应信息。用不同颜色展示新刀具、在用刀具、临期刀具(操过刀具警戒寿命的刀具)、废刀的情况。其中机床内正在使用的刀具，用百分比进度条展示目前刀具使用时长与刀具最大寿命之间的关系。“刀具管理平台”还要计算机床内正在使用的刀具，在备用刀库上是否有同型号的备用刀具，如果备用刀具的数量少于警戒值，则向操作者发出准备新的备用刀具的指令。

步骤S200：当刀具满足任一换刀条件时，执行刀具与备用刀库中备用刀具的交换。

具体地，参照图6，如图6所示是本实施例机床刀具与备用刀具交换流程示意图，该步骤具体包括以下子步骤：

步骤S201：根据刀具的刀柄序列号，将新的刀具基本信息录入并与刀柄绑定，通过线外对刀仪测量刀具首测直径和刀具首测长度，并关联到所述刀具的刀具基本信息中。

步骤S202：将所述刀具放置于所述刀具上料架上，当触发上料请求时，所述机械臂将所述刀具放置于所述备用刀库，并将所述刀具的刀具基本信息录入所述刀具信息库。

步骤S203：当柔性制造系统接收到换刀请求时，从备用刀库中匹配与被更换刀具相同型号、相同类型的刀具库位，向刀具上料用机械臂发出刀具更换指令，机械臂从备用刀库对应库位抓取新刀具，更换到发起换刀请求的数控机床主轴上。

步骤S204：当新刀具更换到数控机床主轴上后，柔性制造系统将新刀具的刀具的首测直径和刀具首测长度信息传递给机床的数控操作系统，并将数控操作系统内当前刀号的刀具使用时长清零。

作为一种实施方式，收到机外换刀请求后，刀具管理平台先查询备用刀库是否有同类型备用刀具。如有，调用机械臂将备用刀具与主轴上的报废刀具交换；同时刀具管理平台将新刀具的刀具信息传递给机床操作系统。

作为一种实施方式，将报废刀具放回备用刀库，用红色指示灯标记为废刀。刀具管理平台检查该类型的备用刀具数量是否小于最低库存要求，如是，则发起新增备用刀具的指定。

在废刀取出后，柔性制造系统解除绑定废刀的刀柄上的刀具信息。

操作者根据新增备用刀具的指定，从刀具库房领取新刀具，从备用刀库上取下标记为废刀的刀柄，拆下废刀具，安装新刀具。扫描刀柄序列号标识与刀具包装上的标识，将刀柄与该型号刀具的刀具信息绑定。

将刀柄放到机外对刀仪上测量，将测量得到的刀具长度、刀具直径录入刀具信息的刀具首测长度、刀具首测直径。

将安装完新刀具的刀柄放到刀具上料站上，再次扫描刀柄标识，触发刀具上料活动，由机械臂将刀具放到备用刀库内。

本实施例提供的基于备用刀库的机外换刀方法充分考虑各种刀具问题触发机制，利用信息化管理系统实现刀库的统筹管理，在正确的时机为机床输送正确的刀具，减少停线停机时间，提高了设备利用率。并通过刀具寿命数据采集与大数据比对，实现刀具寿命预警，增强了系统预防性维护的准确性。该方法通过在常规柔性制造系统中增设备用刀库，解决了在人员不在的情况下，出现刀具故障导致机床停机的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于备用刀库的机外换刀方法，所述方法用于柔性制造系统的机床数铣加工过程中无人值守的机床，所述柔性制造系统包括数控机床、工件自动储运系统和柔性制造控制系统，其特征在于，所述机床包括刀具测量装置和机床自带刀库，工件自动储运系统包括刀具上料架用机械臂和备用刀库，所述方法包括：

在任一刀具完成所有加工轨迹运动后返回机内换刀点时判断刀具状态是否满足换刀条件，所述刀具状态包括刀具使用时长、刀具长度磨损值和刀具直径磨损值；

当所述刀具满足任一换刀条件时，执行所述刀具与所述备用刀库中备用刀具的交换。

2.如权利要求1所述的基于备用刀库的机外换刀方法，其特征在于，所述刀具使用时长是否满足换刀条件的判断步骤包括：

采集所述刀具被切换到主轴上且主轴旋转的时间；

判断所述主轴旋转的时间是否超出设定的最大使用时长，若所述主轴旋转的时间超出所述最大使用时长则判定为满足换刀条件。

3.如权利要求2所述的基于备用刀库的机外换刀方法，其特征在于，所述方法还包括：

设定所述刀具使用时长的警戒阈值，所述警戒阈值小于最大使用时长；

当所述刀具使用时长达到所述警戒阈值时，检验所述刀具的其他刀具状态是否满足换刀条件，若满足则调整所述最大使用时长及所述警戒阈值。

4.如权利要求1所述的基于备用刀库的机外换刀方法，其特征在于，所述刀具长度磨损值是否满足换刀条件的判断步骤包括：

通过所述刀具测量装置获取所述刀具长度，计算所述刀具长度与理论刀具长度的长度差值；

判断所述长度差值是否超过设定的阈值，若超过设定的阈值则判定为满足换刀条件。

5.如权利要求1所述的基于备用刀库的机外换刀方法，其特征在于，所述刀具直径磨损值是否满足换刀条件的判断步骤包括：

通过所述刀具测量装置获取所述刀具直径，计算所述刀具直径与理论刀具直径的直径差值；

判断所述直径差值是否超过设定的阈值，若超过设定的阈值则判定为满足换刀条件。

6.如权利要求1所述的基于备用刀库的机外换刀方法，其特征在于，所述柔性制造系统还包括刀具管理平台，所述方法还包括：

在所述刀具管理平台内建立刀具信息库，所述刀具信息库包含刀具基本信息和刀具状态信息；

所述刀具基本信息包括刀具物资编码、刀具名称、刀具类型、刀具型号、刀具警戒寿命、刀具最大寿命、刀具长度最大磨损值、刀具直径最大磨损值、、刀具首测长度和刀具首测直径；

所述刀具状态信息包括刀具首测长度、刀具首测直径、刀具实测长度、刀具实测直径、刀具使用时长和刀具状态。

7.如权利要求6所述的基于备用刀库的机外换刀方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述刀具管理平台内建立刀具库库位信息看板，所述库位信息包括柔性系统上各个机床的机内刀库库位与备用刀库库位；

根据刀具的刀柄序列号，展示刀具在机内备用刀库的放置情况，当机床和备用刀库中的刀具发生变化时，所述刀具库库位信息看板实时更新相应信息。

8.如权利要求7所述的基于备用刀库的机外换刀方法，其特征在于，所述执行所述刀具与所述备用刀库中备用刀具的交换具体包括：

根据刀具的刀柄序列号，将新的刀具基本信息录入并与刀柄绑定，通过线外对刀仪测量刀具首测直径和刀具首测长度，并关联到所述刀具的刀具基本信息中；

将所述刀具放置于所述刀具上料架上，当触发上料请求时，所述机械臂将所述刀具放置于所述备用刀库，并将所述刀具的刀具基本信息录入所述刀具信息库；

当所述柔性制造系统接收到换刀请求时，从所述备用刀库中匹配与被更换刀具相同型号、相同类型的刀具库位，向所述刀具上料用机械臂发出刀具更换指令，所述机械臂从所述备用刀库对应库位抓取新刀具，更换到发起换刀请求的数控机床主轴上；

当所述新刀具更换到数控机床主轴上后，所述柔性制造系统将新刀具的刀具的首测直径和刀具首测长度信息传递给所述机床的数控操作系统，并将所述数控操作系统内当前刀号的刀具使用时长清零。

9.如权利要求8所述的基于备用刀库的机外换刀方法，其特征在于，所述方法还包括将换下的废刀放回所述备用刀库，并进行标记。

10.如权利要求9所述的基于备用刀库的机外换刀方法，其特征在于，所述方法还包括在废刀取出后，所述柔性制造系统解除绑定所述废刀的刀柄上的刀具信息。

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